無線傳感器網絡定位技術綜述

2) 基于信號到達角度的方法

AOA 測距技術依靠在節點上安裝天線陣列來獲得角度信息。由于大部分節點的天線都是全向的， 無法區分信號來自于哪個方向。因此該技術需要特殊的硬件設備如天線陣列或有向天線等來支持。

優點： 能夠取得不錯的精度。

缺點： 傳感節點最耗能的部分就是通信模塊，所以裝有天線陣列的節點的耗能、尺寸以及價格都要超過普通的傳感節點， 與無線傳感器網絡低成本和低能耗的特性相違背， 所以實用性較差。

關于AOA 定位的文獻比較少，最早提出在室內采集方向信息， 并以此實現定位的方法，它的硬件部分包括微控制器、RF 接收器、5 個排成“V”型的超聲波接收器， 其測量誤差精度為5°。隨后， 一些學者提出了在只有部分節點有定位能力的情況下確定所有節點的方向和位置信息的算法。

3) 基于接收信號強度的方法

RSSI 是在已知發射功率的前提下， 接收節點測量接收功率， 計算傳播損耗， 并使用信號傳播模型將損耗轉化為距離。

優點： 低成本。每個無線傳感節點都具有通信模塊， 獲取RSSI 值十分容易， 無需額外硬件。

缺點： 1) 錨節點數量需求多。由于RSSI 值在實際應用中的規律性較差， 使得利用RSSI 信息進行定位的算法在定位精度以及實用性上存在缺陷。所以為了達到較高的定位精度， 利用RSSI 信息進行定位的算法通常需要較多數量的錨節點。2) 多路徑反射、非視線問題等因素都會影響距離測量的精度。

早期的RSSI 距離測量方法有Hightower 等人設計的室內定位SpotON tags 系統， 通過RSSI 方法來估計兩點間的距離， 通過節點間的相互位置來進行定位， 在邊長3 m 的立方體內， 其定位精度在1 m 以內。目前， 基于RSSI 值的距離測量方法可以分為2 種， 一種是需要預先測試環境信息的方法， 即在實驗開始前， 對定位的區域進行大量的RSSI 值測試，將不同點得到的RSSI 值保存到數據庫中， 建成場強圖或擬合曲線， 在實際測試時查詢和調用。另外一種是無需預先測試環境信息的方法， 直接在定位區域進行節點布置和定位， 如雙曲線模型法，迭代的分布式算法， 結合露珠洪泛思想引入RSSI 機制的HCRL(hop-count-ratio based localization)算法等。

總體來說， 需要預先測試環境參數的方法在實際定位中計算量小， 這類方法只需要簡單的查表或根據擬合曲線進行計算， 其缺點是實驗前需要做大量的準備工作， 而且一旦環境改變則預先建立的模型將不再適用。無需預先測試環境參數的方法需要定位引擎的計算操作， 往往具有復雜的計算過程，但適應性較強。

以上幾種測距方法各有利弊， 以2009 年發表的基于測距法的文獻來看， 研究RSSI 方法的大約占了以上幾種方法總數的52%, TOA 方法25%, TDOA 方法13%和AOA 方法10%, 其比例圖如圖1 所示， 從實用性的角度來看， 基于RSSI 的定位方法更簡便易行， 因此， 基于RSSI 測距方法的研究占基于測距算法研究總數的一半以上。

圖1 各類方法研究比例圖

3.1.2 節點坐標計算方法

無線傳感器節點定位過程中， 當未知節點獲得與鄰近參考節點之間的距離或相對角度信息后， 通常使用以下原理計算自己的位置。

1) 三邊測量法是一種基于幾何計算的定位方法，如圖2 所示， 已知3 個節點A, B, C 的坐標以及3 點到未知節點的距離就可以估算出該未知點D 的坐標，同理也可以將這個結果推廣到三維的情況。

2) 三角測量法也是一種基于幾何計算的定位方法， 如圖3 所示， 已知3 個節點A, B, C 的坐標和未知節點D 與已知節點A, B, C 的角度， 每次計算2 個錨節點和未知節點組成的圓的圓心位置如已知點A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個圓心的坐標和半徑。最后利用三邊測量法， 根據求得的圓心坐標就能求出未知節點D 的位置。

圖2 三邊測量法原理示意圖

圖3 三角測量法原理示意圖